一種振動(dòng)突頻快速統(tǒng)計(jì)與瀑布圖重建分析系統(tǒng)

高林

（西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西西安710100）

一種振動(dòng)突頻快速統(tǒng)計(jì)與瀑布圖重建分析系統(tǒng)

高林

（西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西西安710100）

在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中，對(duì)獲得的試驗(yàn)振動(dòng)頻域二維數(shù)據(jù)進(jìn)行快速提取與分析以及通過三維瀑布圖詳細(xì)查看某時(shí)刻的突頻數(shù)據(jù)有著重要的意義。在LMS Test.Lab Rev軟件的基礎(chǔ)上，使用VS2010與Eclipse聯(lián)合開發(fā)環(huán)境編寫程序?qū)ζ鋵?dǎo)出的.txt數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)二維突頻數(shù)據(jù)的快速統(tǒng)計(jì)與排版以及三維數(shù)據(jù)的彩色顯示與頻譜切片。在二維數(shù)據(jù)快速統(tǒng)計(jì)程序設(shè)計(jì)中，提出了一種大文本數(shù)據(jù)快速統(tǒng)計(jì)算法；在三維瀑布圖顯示中，提出了一種基于文本數(shù)據(jù)重建三維瀑布圖的算法。通過闡述兩種算法并對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明程序有著高可靠性與應(yīng)用推廣價(jià)值。

發(fā)動(dòng)機(jī)；振動(dòng)突頻；快速統(tǒng)計(jì)；三維瀑布圖；頻譜切片

0 引言

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的最終目的是獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)獲取的可靠性、及時(shí)性是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)成功的保證與對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能做出有效分析與評(píng)估的必要條件。長期以來，試驗(yàn)后對(duì)振動(dòng)突頻數(shù)據(jù)的處理，一般使用LMS Test.Lab Rev軟件并拖動(dòng)數(shù)據(jù)到Navigator視圖下的1×1平均頻譜圖中手動(dòng)標(biāo)記每個(gè)參數(shù)的頻譜極值，并將精度處理后的頻率及對(duì)應(yīng)的幅值填寫到Word報(bào)告中的方法，但是該方法消耗較大的人力和時(shí)間成本。另一方面，隨著數(shù)據(jù)量的增多，使用該方法對(duì)突頻點(diǎn)標(biāo)記容易誤標(biāo)到共頻點(diǎn)上，從而對(duì)后續(xù)的檢查和修改帶來較大的不便。

當(dāng)技術(shù)人員需查看振動(dòng)歷史數(shù)據(jù)時(shí)，一般需要數(shù)據(jù)處理人員重新處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這樣導(dǎo)致大量的重復(fù)勞動(dòng)。本文提出一種數(shù)據(jù)處理算法不僅快速地得到發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部位的振動(dòng)突頻數(shù)據(jù)報(bào)告，而且還為數(shù)據(jù)解析到數(shù)據(jù)庫奠定基礎(chǔ)。這樣，一方面可以將數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢和比對(duì)等，還可以對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析，如采用閾值檢驗(yàn)算法驗(yàn)證頻譜的有效性。此外，本文采用MFC+OpenGL技術(shù)編程實(shí)現(xiàn)了三維瀑布圖的重建、顯示與分析功能，首先解決了LMS Test.Lab Rev軟件只能通過屬性對(duì)話框中設(shè)置視角參數(shù)來改變視角操作繁瑣的缺點(diǎn)。其次解決了視角改變幅度有限以及視角改變后三維立體效果直線下降，顯示效果類似“偽3D”，不利于用戶靈活分析數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)。接著解決了單色三維瀑布圖數(shù)據(jù)顯示混疊、顯示效果模糊、區(qū)分度不強(qiáng)等缺點(diǎn)，最后，為動(dòng)態(tài)視角數(shù)據(jù)分析模塊、縮放坐標(biāo)軸數(shù)據(jù)分析模塊、頻譜切片數(shù)據(jù)分析模塊等新的數(shù)據(jù)分析模塊提供可擴(kuò)展接口。

1 需求分析

在當(dāng)前振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域中，比利時(shí)生產(chǎn)的LMS Test.Lab測(cè)試系統(tǒng)及其軟件占據(jù)重要的地位，但是結(jié)合液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)速變參數(shù)特點(diǎn)，存在對(duì)任意頻率區(qū)間突頻值求取不能一步到位的問題，需要繁瑣地在1×1平均頻譜圖手動(dòng)逐個(gè)標(biāo)記突頻值，軟件雖然自帶有求取全頻段最大值的函數(shù)，但是在一個(gè)1×1平均頻譜圖只能標(biāo)記1個(gè)點(diǎn)，而試驗(yàn)要求是5個(gè)點(diǎn)且針對(duì)較多參數(shù)時(shí)，仍然需要一系列的繁瑣操作。此外，還存在不能將求取的突頻值快速寫入Word報(bào)告中的問題。同時(shí)，軟件的1×1瀑布圖雖然可以顯示三維振動(dòng)頻譜數(shù)據(jù)且具有任意縮放坐標(biāo)軸查看數(shù)據(jù)的功能，但由于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)分析獨(dú)具的高要求性，需要直觀清晰地查看頻域數(shù)據(jù)，本文對(duì)三維頻譜數(shù)據(jù)在時(shí)間軸進(jìn)行頻譜切片，即對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，在三維坐標(biāo)系的時(shí)間軸提取某時(shí)刻有用的頻域數(shù)據(jù)。同時(shí)，取LMS Test.Lab Rev軟件自帶的例子數(shù)據(jù)拖動(dòng)到該軟件的1×1三維瀑布圖中顯示效果如圖1所示，存在著單色三維瀑布圖數(shù)據(jù)顯示混疊、顯示效果模糊、區(qū)分度不強(qiáng)、切換視角查看數(shù)據(jù)需在屬性中重新調(diào)整角度進(jìn)行設(shè)置、視角改變幅度有限以及視角改變后三維立體效果直線下降，顯示效果類似“偽3D”等一系列缺點(diǎn)?；谠撥浖俨紙D導(dǎo)出的.txt文本數(shù)據(jù)采用MFC+OpenGL技術(shù)重建三維瀑布圖的方法，將單色顯示變?yōu)榭捎沙绦蚩刂频牟噬@示，這樣使得數(shù)據(jù)分析時(shí)更加清晰地查看三維頻譜數(shù)據(jù)。通過以上需求分析，設(shè)計(jì)開發(fā)出一種振動(dòng)突頻快速統(tǒng)計(jì)與排版及三維瀑布圖重建與分析系統(tǒng)。

圖1 LMS-Desktop-Advanced 1×1三維瀑布圖Fig.1 LMS-Desktop-Advanced 1×1 three-dimensional waterfall plot

如圖2所示，將整個(gè)軟件系統(tǒng)劃分為快速統(tǒng)計(jì)程序子系統(tǒng)與三維瀑布圖子系統(tǒng)兩大子系統(tǒng)。如快速統(tǒng)計(jì)程序子系統(tǒng)應(yīng)該具有頻譜極值輸出功能并基于該功能讀取輸出的文本結(jié)果數(shù)據(jù)擴(kuò)展出生成報(bào)告功能，針對(duì)數(shù)據(jù)管理用例，還可將輸出的文本結(jié)果數(shù)據(jù)解析入數(shù)據(jù)庫的表中，技術(shù)人員通過查詢數(shù)據(jù)用例的功能可隨時(shí)查看二維頻譜數(shù)據(jù)并繪制二維曲線圖，這樣可大大節(jié)省數(shù)據(jù)比對(duì)時(shí)間，方便快速獲得有用信息。而根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際應(yīng)用需求，三維瀑布圖子系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃槿S數(shù)據(jù)壓縮、三維數(shù)據(jù)顯示、譜線切片等用例。

圖2 軟件系統(tǒng)功能用例圖Fig.2 Functional use case diagram of software system

2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用典型的C/S架構(gòu)，部署在本地的客戶端軟件和本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，圖3不僅展示了整個(gè)系統(tǒng)功能組成，還從宏觀的角度來闡述各個(gè)模塊之間的關(guān)系。

在對(duì)Word報(bào)告排版功能中采用著名的MVC模型-視圖-控制器軟件體系結(jié)構(gòu)，使用業(yè)務(wù)層控制類將FreeMarker組件生成的模版映射為Word報(bào)告，這種方法非常適合輕型化的系統(tǒng)軟件。本對(duì)于三維瀑布圖使用JNI技術(shù)調(diào)用基于MFC+ OpenGL編譯好的.lib動(dòng)態(tài)鏈接庫嵌入并顯示到系統(tǒng)軟件界面中［1-3］。數(shù)據(jù)訪問層的主要職責(zé)是讀取數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)層的數(shù)據(jù)和傳遞查詢返回的數(shù)據(jù)，這樣的好處是可以封裝對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作，將運(yùn)算直接放在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，減少客戶端軟件運(yùn)行時(shí)的壓力，并提高軟件執(zhí)行的效率。在數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)層存放試驗(yàn)數(shù)據(jù)臨時(shí)表結(jié)構(gòu)，并將頻譜數(shù)據(jù)解析到該表中，好處是當(dāng)存儲(chǔ)過程執(zhí)行完成時(shí)，將自動(dòng)刪除創(chuàng)建的本地臨時(shí)表，避免重復(fù)執(zhí)行數(shù)據(jù)庫操作。

2.2 算法設(shè)計(jì)

針對(duì)快速統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)，提出了一種數(shù)據(jù)處理算法并構(gòu)建出一種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)［4-5］，如圖4所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后會(huì)掃描固定路徑下的xxx.txt文件，用戶按下預(yù)處理后軟件會(huì)自動(dòng)提取參數(shù)名、數(shù)據(jù)列信息并調(diào)用編寫的刪除列算法將文本中多余的頻率和相位列刪除，得到新的xxx.txt文件，然后系統(tǒng)將該文本數(shù)據(jù)解析到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中，并調(diào)用編寫的SQL語句得到極大值的結(jié)果集數(shù)據(jù)寫入到xxx.csv文件。系統(tǒng)采用Struts2框架中的FreeMarker模版引擎組件實(shí)現(xiàn)生成Word報(bào)告功能。根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，得到發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部位的傳感器或電纜故障振動(dòng)閾值，可以初步識(shí)別發(fā)生故障的采集參數(shù)，不僅可以驗(yàn)證頻譜數(shù)據(jù)的有效性而且自動(dòng)在Word報(bào)告中對(duì)失效突頻數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的標(biāo)記。

三維瀑布圖子系統(tǒng)基于MFC+OpenGL技術(shù)提出了一種三維瀑布圖重建算法，算法流程圖如圖5所示，首先讀取一種格式的原始.txt文件數(shù)據(jù)中有效的三維頻譜數(shù)據(jù)并存入數(shù)組。該種格式的.txt文件由頭文件信息字符串和頻率列、幅值列、相位列依次按一定規(guī)律存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)列字符串組成。其中提取頭文件中形如“Tracking time 0 s（間隔一個(gè)Tab鍵）0.32 s（間隔一個(gè)Tab鍵）0.64 s...”時(shí)間軸字符串到一維數(shù)組中，提取頭文件中形如“X axis increment 6.25 Hz”與“X axis 0-12800 Hz”頻率軸字符串并存儲(chǔ)到一維數(shù)組中。然后按照索引方式提取頻率列、幅值列、相位列信息中有效部分到二維數(shù)組中，該有效部分為按照一定規(guī)律提取的不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的幅值列信息，從而將. txt文件數(shù)據(jù)保存為重建三維瀑布圖循環(huán)讀取的二維數(shù)組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。最后，按照索引方式依頻率、時(shí)間遞增的方向循環(huán)讀取按照索引方式存儲(chǔ)的幅值列二維數(shù)組并繪制在三維坐標(biāo)系中。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 Diagram of system architecture

圖4 快速統(tǒng)計(jì)程序子系統(tǒng)流程圖Fig.4 Process diagram for subsystem of quick statistics program

此外，拖動(dòng)鼠標(biāo)可改變查看視角，從而可以多角度地分析三維振動(dòng)數(shù)據(jù)，縮放坐標(biāo)軸時(shí)調(diào)用點(diǎn)云三角化算法使用適量三維數(shù)據(jù)重繪瀑布圖輪廓［6-7］。對(duì)數(shù)據(jù)處理過程中涉及到的各個(gè)細(xì)節(jié)，均對(duì)數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行優(yōu)化以獲得最高效的性能，如對(duì)獲取有效的振動(dòng)頻率與幅值數(shù)據(jù)編寫了特定的刪除列算法［8］。

圖5 三維瀑布圖重建算法流程圖Fig.5 Flow chart for reconstruction algorithm of three-dimensional waterfall plot

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方面應(yīng)用了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫處理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)的核心思想［9］。由于使用LMS Test. Lab Rev軟件導(dǎo)出文本格式的數(shù)據(jù)具有按照頻率、幅值、相位有規(guī)律排列的特點(diǎn)，所以將原始的文本數(shù)據(jù)映射到原始數(shù)據(jù)表，將文本處理后的數(shù)據(jù)映射為后期管理的突頻數(shù)據(jù)表。顯然突頻數(shù)據(jù)表是原始數(shù)據(jù)表的子集。概括模型有一個(gè)很重要的性質(zhì)：繼承性，即子類繼承超類上定義的所有抽象，這樣突頻數(shù)據(jù)表繼承了原始數(shù)據(jù)表的所有屬性，當(dāng)然，子類突頻數(shù)據(jù)表還可以增加自己的屬性，如試驗(yàn)代號(hào)、振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的參數(shù)名，該屬性與用戶查詢界面輸入的參數(shù)值進(jìn)行匹配，篩選出所選目標(biāo)結(jié)果集。

3 算例分析

3.1 快速統(tǒng)計(jì)程序算例分析

使用LMS Test.Lab測(cè)試系統(tǒng)任意采集一段數(shù)據(jù)，使用LMS Test.Lab Rev軟件做5 s的平均頻譜運(yùn)算，假設(shè)采集的參數(shù)名為a1，a2和a3，將測(cè)試數(shù)據(jù)采用快速統(tǒng)計(jì)程序子系統(tǒng)進(jìn)行處理生成振動(dòng)突頻值統(tǒng)計(jì)Word報(bào)告，如表1所示。手動(dòng)在1×3平均頻譜圖中標(biāo)記各個(gè)參數(shù)在4～5 kHz頻率區(qū)間的5個(gè)突頻值進(jìn)行驗(yàn)證，如圖6所示。比較可得通過該數(shù)據(jù)快速統(tǒng)計(jì)算法得到的數(shù)據(jù)與手動(dòng)標(biāo)記的突頻數(shù)據(jù)完全吻合。

表1 快速統(tǒng)計(jì)程序突頻值統(tǒng)計(jì)Tab.1 Sudden frequency value statistics of fast statistical program

圖6 某次振動(dòng)測(cè)試1×3平均頻譜圖Fig.6 1×3 average spectrum of the vibration test

由此得出，頻譜極值輸出模塊及生成報(bào)告模塊滿足預(yù)期要求。

此外，數(shù)據(jù)管理模塊可以將每次試驗(yàn)數(shù)據(jù)解析入數(shù)據(jù)庫，以試驗(yàn)代號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)名為輸入查詢頻譜極值并在信息提示界面進(jìn)行顯示，還可將突頻坐標(biāo)繪制為曲線圖［10］，在頻域上得到振動(dòng)信號(hào)的頻域包絡(luò)線圖，從而為技術(shù)人員直觀地評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部位性能和故障診斷提供很好的解決方案［11］。

3.2 三維瀑布圖重建算例分析

如圖7所示，對(duì)三維瀑布圖子系統(tǒng)中彩色三維瀑布圖重建、顯示功能進(jìn)行算例分析，結(jié)果表明：使用彩色三維瀑布圖顯示解決了當(dāng)前LMS Test.Lab Rev軟件中1×1瀑布圖功能中單色顯示存在的一系列問題，從而使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析更加直觀高效。

此外，對(duì)三維瀑布子系統(tǒng)中譜線切片功能進(jìn)行測(cè)試，選取圖中三維坐標(biāo)系Time（s）軸某時(shí)刻的頻譜切片，程序按照選擇的譜線序號(hào)導(dǎo)出為.txt文本數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)將所提取的頻譜切片高亮顯示，而且導(dǎo)出的二維文本數(shù)據(jù)采用本文提出的快速統(tǒng)計(jì)算法可以快速得到頻域的二維特征數(shù)據(jù)，從而增加了一種對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻譜分析的手段。同時(shí)，對(duì)三維瀑布圖視角改變最大范圍進(jìn)行測(cè)試，即前后左右上下均為90°進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，多角度動(dòng)態(tài)顯示模塊滿足預(yù)期要求。

圖7 三維瀑布圖子系統(tǒng)中三維瀑布圖Fig.7 Three-dimensional waterfall of three-dimensional subsystem

4 結(jié)論

提出了一種振動(dòng)二維數(shù)據(jù)快速統(tǒng)計(jì)算法與一種基于文本數(shù)據(jù)的三維瀑布圖快速重建算法，并構(gòu)建出一種數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)將提取發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)突頻并生成Word報(bào)告這項(xiàng)工作完全自動(dòng)化，大大減輕數(shù)據(jù)處理人員負(fù)擔(dān)并極大提高數(shù)據(jù)處理效率。

如一次試驗(yàn)有40個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)且含3段發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間，根據(jù)大量實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，工作效率可以從原來的約6小時(shí)/人次降低到約3分鐘/人次，工作效率可以提高近百倍。該系統(tǒng)可將振動(dòng)極大值獲得的準(zhǔn)確率提高到100%，保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。通過對(duì)三維瀑布圖子系統(tǒng)進(jìn)行算例驗(yàn)證，得出該子系統(tǒng)不僅徹底解決了三維瀑布圖單色顯示數(shù)據(jù)效果欠佳的問題，而且可對(duì)三維數(shù)據(jù)靈活進(jìn)行分析，如譜線切片分析。此外，對(duì)得到的振動(dòng)突頻數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可為事后比對(duì)分析歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供很好的解決方案。更為重要的是，在每次試驗(yàn)結(jié)束后，快速統(tǒng)計(jì)算法可幫助數(shù)據(jù)分析人員快速準(zhǔn)確地獲得發(fā)動(dòng)機(jī)參試部位的振動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能評(píng)估及故障診斷提供極其重要的參考。

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（編輯：陳紅霞）

A system for rapid statistics and waterfall plot reconstruction analysis of vibration sudden spectrum

GAO Lin
（Xi'an Aerospace Propulsion Test Technology Institute，Xi'an 710100，China）

In liquid rocket engine test，it is important to extract and analyze the two-dimensional data of the vibration test frequency domain quickly，and check the sudden frequency data in some moment by means of three-dimensional waterfall plot.Based on LMS-Desktop-Advanced software，VS2010 and Eclipse development environment are used to compile program to process the derived TXT data，and realize two-dimensional sudden frequency data's quick statistics，three-dimensional data's multi-color display and spectrum slice.In the design of two-dimensional data fast statistical program，a fast statistical algorithm of large-text data is proposed.And also an algorithm to reconstruct the waterfall plot on the basis of text data is proposed to display the three-dimensional waterfall plot. The two algorithms are elaborated in this paper.The program testing result shows that the program has high reliabilityand application value.

engine；vibration sudden frequency；rapid statistics；3D waterfall plot；spectrum slice

V434-34

A

1672-9374（2016）05-0033-06

2016-08-09；

2016-09-13

高林（1988—），男，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)